一種具有PLC功能的礦用監(jiān)控分站

曹利波

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

在國內(nèi)煤礦行業(yè)，運行著數(shù)以千計的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[1]，以及其它各類監(jiān)控系統(tǒng)，由于是各個制造廠各自設(shè)計各自生產(chǎn)，沒有統(tǒng)一的設(shè)計要求，功能各異，也沒有統(tǒng)一的通信接口和軟件協(xié)議，造成類型眾多，接口不一，使得系統(tǒng)復雜，維修不便，是目前數(shù)據(jù)難以融合和共享的主要障礙。

針對目前監(jiān)控分站的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于現(xiàn)場可編程（PLC）的監(jiān)控分站，其能夠方便的接入各類傳感器，并將傳感器的數(shù)據(jù)上傳至主站。又能夠根據(jù)現(xiàn)場需要，編制數(shù)據(jù)處理和控制流程，實現(xiàn)分布式PLC[2]控制，也能夠根據(jù)上位機指令實行遠程控制。

1 分站的硬件結(jié)構(gòu)和接口

分站的微處理器采用STM32F427[3]，其處理速度快、程序空間和數(shù)據(jù)空間足夠大，能夠滿足程序解釋執(zhí)行PLC語句的需要。硬件結(jié)構(gòu)和接口圖如圖1。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)和接口圖

分站有8/16個開關(guān)量型或脈沖信號型和頻率型信號接口，使用時通過屬性設(shè)置，使其成為開關(guān)量接口、脈沖頻率接口或者累加量接口，以適應(yīng)不同傳感器要求[4-5]。接口用光電隔離，能抑制現(xiàn)場干擾。

分站能接入16個傳感器類設(shè)備的RS485信號，信號通過一個隔離式RS485口接入。傳感器通過地址編碼識別，通過監(jiān)控分站輪詢來傳輸數(shù)據(jù)[6]。每個傳感器分站支持4個數(shù)據(jù)量，這樣使得分站數(shù)據(jù)量大幅增加。同時，可加入1個或多個執(zhí)行分站，遠程執(zhí)行監(jiān)控分站下達的控制指令，實現(xiàn)遠程控制。

分站具有8個控制量隔離輸出，用于控制執(zhí)行器，通過內(nèi)部PLC設(shè)置，實現(xiàn)諸如風電瓦斯閉鎖、風機排瓦斯自動控制、水倉水位的控制等功能。

分站有1個RS485和以太網(wǎng)接口[7]，用于與主站的通信，滿足各類通信要求。分站有聲光報警。

2 分站的模塊

1）模塊1：開關(guān)量和頻率量采集模塊。該模塊以6N137高速光耦作為隔離器件，以2.5萬次/s的采樣速率采集輸入接口的信號變化，根據(jù)接口屬性將數(shù)據(jù)存入對應(yīng)變量單元。根據(jù)奈奎斯特采樣定理[8],2.5萬次/s的采樣速率能保證1.2萬次信號變化不失真，保證了采樣精度的實現(xiàn)。經(jīng)過實測，在10 kHz下，監(jiān)控分站能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的采樣，不丟失1 Hz數(shù)據(jù)。目前煤礦使用頻率型信號的傳感器主要為200～1 000 Hz，也有 200～2 000 Hz，個別的也有 10 kHz，足以滿足此類傳感器的需要。

2）模塊2：智能傳感器RS485接口模塊。該模塊用隔離RS485電路，保證主電路與傳感器電路的電氣隔離，并保證數(shù)據(jù)能夠互通。軟件采用監(jiān)控分站輪詢方式對傳感器進行數(shù)據(jù)采集[9]，采集到的數(shù)據(jù)放置到對應(yīng)的數(shù)據(jù)單元。

3）模塊3：輸出控制模塊。該模塊在電路上對輸出信號進行光電隔離后輸出到接口，保證與主電路的電氣隔離。在核心軟件監(jiān)控分站內(nèi)部PLC運算結(jié)果輸出后，接口能夠驅(qū)動外部設(shè)備，比如執(zhí)行器，用于控制相應(yīng)設(shè)備。

4）模塊4：顯示和鍵盤接口。本監(jiān)控分站使用128×64點陣的液晶顯示數(shù)據(jù)，漢字英文均可顯示。監(jiān)控分站使用遙控器發(fā)出鍵盤操作指令，紅外方式接收鍵盤指令后驅(qū)動顯示模塊顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，所有采集的數(shù)據(jù)均可實現(xiàn)原碼和實時數(shù)據(jù)的就地顯示。

5）模塊5：RS485與以太網(wǎng)的主站通信[10]模塊。模塊可以接收主站的數(shù)據(jù)采集指令，輸出返回數(shù)據(jù)；可以接收主站的指令控制對應(yīng)設(shè)備，實現(xiàn)遠程閉鎖。同時根據(jù)生產(chǎn)需要可以改變監(jiān)控分站的PLC設(shè)置，實現(xiàn)監(jiān)控分站的遠程維護[10]。

6）模塊6：電源模塊。監(jiān)控分站使用18 V直流本安電源，隔離開關(guān)電源DC/DC，通過2路分別供向主電路5 V和其它傳感器以及控制電路（含有電流限制路）。

7）模塊7：PLC模塊[11]。該模塊是監(jiān)控分站的核心模塊，PLC模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 PLC模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

3 PLC模塊數(shù)據(jù)接口定義及相關(guān)PLC執(zhí)行程序

PLC模塊數(shù)據(jù)接口定義主要有：①部計數(shù)器：00-T99；②內(nèi)部信號寄存器：01-x99；③信號數(shù)據(jù)：對于8信號頻率、開關(guān)輸入型監(jiān)控分站定義為A，信號1～信號11為開關(guān)量或頻率量，信號12～信號19為輸出控制量，B1為智能1號傳感器的第1模擬量，B2為智能1號傳感器的第2模擬量，以下類推……，C1為智能2號傳感器的第1模擬量，C2為智能2號傳感器的第2模擬量，以下類推。

PLC的基本語句格式為：邏輯指令寄存器或繼電器操作符操作數(shù)據(jù)或狀態(tài)。

邏輯指令：求分站PLC執(zhí)行的動作。要有6種，D、AND、OR、XOR、OUT、END。

操作符：要對寄存器或繼電器進行的比對、賦值等操作。主要有 6，即=、≠、≤、＜、≥、＞。

定值：V1～V20。

風電甲烷閉鎖的要求如下：①當甲烷濃度達到1.5%時，分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖，同時發(fā)出聲、光報警信號；②當甲烷濃度達到1.0%時，分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖，同時發(fā)出聲、光報警信號；③當甲烷濃度達到0.5%時，分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖，同時發(fā)出聲、光報警信號；④當甲烷濃度達到3.0%時，分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖，同時發(fā)出聲、光報警信號；⑤當局部通風筒信號斷開時，分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖。

完成這些功能的PLC執(zhí)行程序如下：

第1行 LD A4 ＞＝ 中間變量 V1

第2行 OR X34 ＝ 立即數(shù) 1

第3行 OUT Z12 ＝ 立即數(shù) 1

第4行 OUT A12 ＝ 立即數(shù) 0

第5行 LD A4 ＜ 中間變量 V2

第6行 AND X34 ＝ 立即數(shù) 0

第7行 OUT Z12 ＝ 立即數(shù) 0

第8行 OUT A12 ＝ 立即數(shù) 1

第9行 LD A5 ＞＝ 中間變量 V3

第10行 OR X35 ＝ 立即數(shù) 1

第11行 OUT Z13 ＝ 立即數(shù) 1

第12行 OUT A13 ＝ 立即數(shù) 0

第13行 LD A5 ＜ 中間變量 V4

第14行 AND X35 ＝ 立即數(shù) 0

第15行 OUT Z13 ＝ 立即數(shù) 0

第16行 OUT A13 ＝ 立即數(shù) 1

第17行 LD A6 ＞＝ 中間變量 V5

第18行 OR X36 ＝ 立即數(shù) 1

第19行 OUT Z14 ＝ 立即數(shù) 1

第20行 OUT A14 ＝ 立即數(shù) 0

第21行 LD A6 ＜ 中間變量 V6

第22行 AND X36 ＝ 立即數(shù) 0

第23行 OUT Z14 ＝ 立即數(shù) 0

第24行 OUT A14 ＝ 立即數(shù) 1

第25行 LD A6 ＞＝ 中間變量 V7

第26行 OR X36 ＝ 立即數(shù) 1

第27行 OUT A15 ＝ 立即數(shù) 0

第28行 LD A6 ＜ 中間變量 V8

第29行 AND X36 ＝ 立即數(shù) 0

第30行 OUT A15 ＝ 立即數(shù) 1

第31行 LD A8 ＝ 立即數(shù) 0

第32行 OUT A16 ＝ 立即數(shù) 1

第33行 LD A8 ＝ 立即數(shù) 1

第34行 OUT A16 ＝ 立即數(shù) 0

第35行 LD A9 ＝ 立即數(shù) 0

第36行 OUT A17 ＝ 立即數(shù) 1

第37行 LD A9 ＝ 立即數(shù) 1

第38行 OUT A17 ＝ 立即數(shù) 0

第39行 LD Z12 ＝ 立即數(shù) 1

第40行 OR Z13 ＝ 立即數(shù) 1

第41行 OR Z14 ＝ 立即數(shù) 1

第42行 OUT A20 ＝ 立即數(shù) 1

第43行 LD Z12 ＝ 立即數(shù) 0

第44行 AND Z13 ＝ 立即數(shù) 0

第45行 AND Z14 ＝ 立即數(shù) 0

第46行 OUT A20 ＝ 立即數(shù) 0

第47行 END

4 結(jié)語

設(shè)計了具有分布式PLC通用功能的監(jiān)控分站，它既能夠采集開關(guān)和脈沖數(shù)據(jù)，也能夠通過RS485接口采集智能傳感器的數(shù)據(jù)；并將這些數(shù)據(jù)進行組合，用于通過監(jiān)控分站控制開關(guān)量；分站融合了幾類傳感器的數(shù)據(jù)接入，滿足了數(shù)據(jù)共享的需求。